SPring-8利用推進協議会 金属材料評価研究会（第11回） 研究社英語センタービル 地下2階大会議室 2016年2月1日 SPring-8利用推進協議会 金属材料評価研究会（第11回） -溶接部等の最近の注目技術- 放射光ラミノグラフィを利用した異材FSW継手材の 接合組織と疲労き裂の同時可視化 沖縄工業高等専門学校 政木清孝 東芝（現JST） 佐野雄二 講演内容 （contents） 摩擦攪拌接合 （Friction Stir Welding：FSW） 断層撮影技術 （Computing Tomography：CT） ラミノグラフィ(Laminography) 異材FSW継手の疲労特性 FSW継手の作成 平面曲げ疲労特性 き裂進展試験とラミノグラフィ 表面き裂進展挙動 内部き裂進展挙動 攪拌組織とき裂進展 まとめ 講演内容 （contents） 摩擦攪拌接合 （Friction Stir Welding：FSW） 断層撮影技術 （Computing Tomography：CT） ラミノグラフィ(Laminography) 異材FSW継手の疲労特性 FSW継手の作成 平面曲げ疲労特性 き裂進展試験とラミノグラフィ 表面き裂進展挙動 内部き裂進展挙動 攪拌組織とき裂進展 まとめ 摩擦攪拌接合 （Friction Stir Welding：FSW） 攪拌ツール（先端に突起のある円筒状工具） 回転させながら部材に押し付け 摩擦熱による母材の軟化 工具の回転に伴う塑性流動 接合 アルミニウム合金，異種材料の接合方法として注目 各種輸送機器，機械構造物へ適用 ＦＳＷ継手材の疲労特性評価 重要 疲労き裂進展挙動の解明が必要 非破壊でのき裂進展挙動調査 有用 放射光を用いた断層撮影技術の利用に期待 SANPO web 情報記事 | Q&A溶接入門講座 | FSW（摩擦撹拌溶接） 第1回 http://www.sanpo-pub.co.jp/omoshiro/qanda/fsw_1.html 講演内容 （contents） 摩擦攪拌接合 （Friction Stir Welding：FSW） 断層撮影技術 （Computing Tomography：CT） ラミノグラフィ(Laminography) 異材FSW継手の疲労特性 FSW継手の作成 平面曲げ疲労特性 き裂進展試験とラミノグラフィ 表面き裂進展挙動 内部き裂進展挙動 攪拌組織とき裂進展 まとめ 断層撮影技術 （Computing Tomography：CT） X線透過像からの再構成 ω:0度 ラインプロファイル X1+X3=C1 X2+X4=C2 X2+X3=C3 X1+X2=C4 X3+X4=C5 ω:90度 …..(1) …..(2) …..(3) ..…(4) ..…(5) ラインプロファイル Xn ： 線吸収率 連立方程式を解く 各部位の線吸収率が求まる 任意の断層撮影像 （スライス）の作成 スライスの積層 三次元化 画像処理 き裂情報の可視化 断層撮影技術とFSW継手材 丸棒試料 平板試料（FSW継手） 不向き 測定対象 測定対象 検出器 光源 X線透過距離 検出器 光源 X線透過距離 試料の回転中 ほぼ一定 長い 短い 透過情報量 不足 FSW材のCT観察の試み（初期） A2024 部 欠陥 A1100 部 1mm 試料の切断 透過像 スライス像 FSW材の内部情報を非破壊で知る有力なツールとなる 小寸法試験片ではFSW材のき裂進展挙動を評価できない 講演内容 （contents） 摩擦攪拌接合 （Friction Stir Welding：FSW） 断層撮影技術 （Computing Tomography：CT） ラミノグラフィ(Laminography) 異材FSW継手の疲労特性 FSW継手の作成 平面曲げ疲労特性 き裂進展試験とラミノグラフィ 表面き裂進展挙動 内部き裂進展挙動 攪拌組織とき裂進展 まとめ ラミノグラフィ （Laminography） Ｘ線ラミノグラフィ ( X-ray Laminography ) ω φ X-ray source Specimen 観察可能エリア Detector Fig. Schematically image of X-ray laminography Ｘ線を利用する場合 観察対象 X線源 検出器 固定 同期して旋回 SPring-8 で行うには…． 観察対象 光源 検出器 光軸に対してφ傾斜可能 回転させる事は不可能 ラミノグラフィ （Laminography） 放射光ラミノグラフィ ( Laminography with Synchrotron Radiation) Sample ω X-ray 放射光ラミノグラフィ ω φ 試験片 回転ステージ 垂直に対して傾斜 光軸と回転軸の傾斜 φ:60度 回転ステージ 傾斜治具 放射光CT ω Sample 講演内容 （contents） 摩擦攪拌接合 （Friction Stir Welding：FSW） 断層撮影技術 （Computing Tomography：CT） ラミノグラフィ(Laminography) 異材FSW継手の疲労特性 FSW継手の作成 平面曲げ疲労特性 き裂進展試験とラミノグラフィ 表面き裂進展挙動 内部き裂進展挙動 攪拌組織とき裂進展 まとめ 摩擦攪拌接合材の作成 展伸用アルミニウム合金 A6061-T6 （Al-Mg-Si系） (thickness 3mm) A2024-T351 （Al-Cu系） (thickness 3mm) Table 1 Chemical compositions. (wt %) Si Fe Cu Mn Mg Cr A6061 0.65 0.20 0.30 0.06 1.04 0.13 A2024 0.04 0.05 4.2 0.51 1.4 Zn Ti Al 0.04 0.02 BAL 0.02 0.06 0.01 BAL Table 2 Mechanical properties. A6061 Tensile strength [MPa] 336 Proof strength [MPa] 318 Elongation [%] 15.7 A2024 440 295 15 FSW接合 異材FSW継手 摩擦攪拌接合材の作成 Pitch angle 3 [deg] Rotation speed 1400 [rpm] Contact pressure Prove position constant Welding Speed 41 [mm/min] Advancing side Retreating side 接合条件 ツール形状 接合状況 使用装置 講演内容 （contents） 摩擦攪拌接合 （Friction Stir Welding：FSW） 断層撮影技術 （Computing Tomography：CT） ラミノグラフィ(Laminography) 異材FSW継手の疲労特性 FSW継手の作成 平面曲げ疲労特性 き裂進展試験とラミノグラフィ 表面き裂進展挙動 内部き裂進展挙動 攪拌組織とき裂進展 まとめ 疲労試験片および疲労試験条件 1 2. 5 Welding Line 8 Advancing side φ 7 -4 W el d zo ne 18 30 2 t3 12 Retreating side 30 0 0 Y （a）Sampling pattern of specimens. A6061 5 X 25 R 42 . Z 1 2. 5 20 A2024 65 90 25 （b）Shape of the specimen. Fig. 1 Fatigue specimen. t=3 疲労試験条件 平面曲げ疲労試験機 (東京衡機 , PBF-30Ｘ) 負荷繰返し速度 ： 22Hz 変位制御（変位一定） 疲労試験機 疲労試験結果（基礎特性） Stress amplitude a [MPa] 300 BM-A2024 BM-A6061 A2024/A6061-FSW 250 200 150 100 2x107回疲労強度 BM-A2024 A2024/A6061-FSW 約170MPa BM-A6061 約125MPa 有限寿命域特性 約130MPa A6061に従う A2024/A6061-FSW 104 105 106 107 108 高応力域→短寿命化 Number of cycles to failure Nf [cycle] 高応力域 BM-A6061 (σa=180MPa，Nf=2.6×105 cycle) 低応力域 BM-A6061 (σa=140MPa，Nf=1.6×106 cycle) A2024/A6061-FSW (σa=174MPa，Nf=6.93×104 cycle) A2024/A6061-FSW (σa=127MPa，Nf=4.55×106 cycle) 疲労試験結果（破断位置と硬さ） A2024 側 A6061 側 Weld Center 起点位置 A6061側に中心から約3∼5mm き裂進展 破面マクロ状況 中心付近の組織硬さ A2024側 約146HV 接合中心 起点位置 A6061側 約107HV Fig. Vickers hardness distribution of specimen 疲労強度 A6061側の特性に従う 3mm 破面拡大 10mm 組織硬さの影響 屈曲 組織の攪拌状況 接合まま（表面の切削加工無し） A2024 側 オニオンリング A6061 側 (a) (b) 接合中心 破断位置 1mm 30µm (a) 攪拌部（SZ領域） 30µm (b) 加工熱影響部（TMAZ/HAZ領域） Fig. 異材FSW 組織観察結果 疲労き裂は，攪拌組織をどのように進展するのか？ 講演内容 （contents） 摩擦攪拌接合 （Friction Stir Welding：FSW） 断層撮影技術 （Computing Tomography：CT） ラミノグラフィ(Laminography) 異材FSW継手の疲労特性 FSW継手の作成 平面曲げ疲労特性 き裂進展試験とラミノグラフィ 表面き裂進展挙動 内部き裂進展挙動 攪拌組織とき裂進展 まとめ き裂進展試験 直径0.3mm 深さ0.3mmのドリル穴付与 1 2. 5 Welding Line 8 Advancing side φ 7 -4 W el d zo ne 18 30 2 t3 12 Retreating side 30 0 0 A6061 Y （a）Sampling pattern of specimens. 5 X 25 R 42 . Z 1 2. 5 20 A2024 65 90 25 （b）Shape of the specimen. Fig. 1 Fatigue specimen. t=3 疲労試験条件 平面曲げ疲労試験機 (東京衡機 , PBF-30Ｘ) 負荷繰返し速度 ： 22Hz 変位制御（変位一定） 応力振幅 : 120MPa （ドリル穴以外からき裂が発生しない） 負荷繰返し ラミノグラフィによる観察 き裂進展挙動の断続的観察 疲労試験機 き裂の観察 放射光ラミノグラフィ観察条件 SPring-8 Slit 1 BL19B2 MonochromatorSlit 2 ψ Sample w θ X-ray CCD camera Si(111) 800mm X-ray Energy : 28 keV Detector Distance : 800 mm Step of Rotation Stage : 0.5 deg. JASRI SPring-8 BL19B2 Hutch No.１ Exposure Time : 0.25 sec Effective Pixel Size : 11.4 mm X-Ray CCD Size : 992 x 402 pixel Φ angle : 660 deg き裂の観察 放射光ラミノグラフィ観察結果(透過像) Y X (a) w = 0 degree（Y-direction） X Y 1mm (b) w = 90 degree（X-direction） Fig. Example of transmission image of the specimen. き裂の観察 放射光ラミノグラフィ観察結果(スライス像 1.5x105cycle ) A2024 約5.7 mm/slice A6061 最表面 50スライス目 100スライス目 150スライス目 2mm 200スライス目 250スライス目 300スライス目 母材の密度によってコントラストが違う 350スライス目 き裂の観察 ω 放射光ラミノグラフィ観察結果 Sample 位置によって，スライス像の大きさが異なる 試験片全体像を観察する ラミノグラフィの原理に依存 観察位置をシフト 画像合成 W el d zo ne R 42 . 5 20 N=3.0×105 cycle N=4.5×105 cycle 1mm 講演内容 （contents） 摩擦攪拌接合 （Friction Stir Welding：FSW） 断層撮影技術 （Computing Tomography：CT） ラミノグラフィ(Laminography) 異材FSW継手の疲労特性 FSW継手の作成 平面曲げ疲労特性 き裂進展試験とラミノグラフィ 表面き裂進展挙動 内部き裂進展挙動 攪拌組織とき裂進展 まとめ き裂の観察 表面き裂観察（レプリカ法） N=1.5×105 cycle N=2.0×105 cycle 1mm N=2.5×105 cycle N=3.0×105 cycle N=3.5×105 cycle N=4.0×105 cycle N=4.5×105 cycle N=4.72×105 cycle き裂の観察 表面き裂観察（ラミノグラフィ） N=1.5×105 cycle N=2.0×105 cycle 1mm N=2.5×105 cycle N=3.0×105 cycle N=3.5×105 cycle N=4.0×105 cycle N=4.5×105 cycle N=4.72×105 cycle き裂の観察 レプリカ法とラミノグラフィの比較 Crack length 2a , mm き裂進展曲線 20 15 120MPa, R=-1 A2024-A6061 10 Replica SRCL 5 0 0.0 1.0 2.0 3.0 4.0 5.0 5 [10 ] Number of cycles N , cycle Fig. Crack propagation curve at specimen surface. 疲労き裂進展 攪拌部（SZ）領域内 表面観察像 X軸方向へのき裂進展曲線 前進側へ凸となるように屈曲 （摩擦攪拌組織に依存か） 両者はよく一致 講演内容 （contents） 摩擦攪拌接合 （Friction Stir Welding：FSW） 断層撮影技術 （Computing Tomography：CT） ラミノグラフィ(Laminography) 異材FSW継手の疲労特性 FSW継手の作成 平面曲げ疲労特性 き裂進展試験とラミノグラフィ 表面き裂進展挙動 内部き裂進展挙動 攪拌組織とき裂進展 まとめ き裂の観察 き裂の可視化 き裂の成長（軸方向投影） き裂の成長（板厚方向投影） き裂の観察 内部へのき裂進展挙動(荷重軸方向への投影) N=2.5×105 cycle N=3.5×105 cycle N=4.5×105 cycle 表面き裂 大きく屈曲しながら成長 荷重軸方向への投影像 半楕円形状 Newman-Raju の式による応力拡大係数算定 き裂の観察 き裂進展挙動の評価(応力拡大係数) Table 非破壊的評価 Calculation result of stress intensity factor. Surface crack Crack depth Aspect ratio Stress intensity factor length b(mm) b/a Kmax (MPam1/2) SRCL(projection) SRCL(projection) SRCL(projection) Inside Surface 1.5×105 0.92 0.42 0.91 2.4 3.0 2.0×105 1.45 0.62 0.85 2.7 3.6 2.5×105 2.00 0.80 0.80 2.8 4.1 3.0×105 2.87 1.03 0.71 2.8 4.6 3.5×105 3.96 1.22 0.62 2.8 5.2 4.0×105 6.18 1.50 0.49 2.7 6.0 4.5×105 9.46 1.72 0.36 2.9 7.1 N (cycles) 2a (mm) 応力拡大係数の変化 KImax (surface) KImax (inside) 増加 一定 き裂の観察 き裂進展挙動の評価(応力拡大係数) 1.0 A2024-A6061 b/a 8.0 6.0 0.8 KImax (surface) KB 4.0 0.4 2.0 120MPa, R=-1 0.0 0 0.6 0.2 KA (inside) KImax 0.4 0.6 0.8 Cycle ratio N/Nf 0.2 Aspect ratio , b/a KAimax ,KB , MPam0.5 10.0 0.0 1.0 Fig.12 Relationships between b/a, K and N/Nf KImax (surface) 表面方向への優先進展 講演内容 （contents） 摩擦攪拌接合 （Friction Stir Welding：FSW） 断層撮影技術 （Computing Tomography：CT） ラミノグラフィ(Laminography) 異材FSW継手の疲労特性 FSW継手の作成 平面曲げ疲労特性 き裂進展試験とラミノグラフィ 表面き裂進展挙動 内部き裂進展挙動 攪拌組織とき裂進展 まとめ き裂の観察 攪拌組織の可視化 Advancing side (A2024) 再構成像では 吸収率が高い 吸収率が低い Retreating side (A6061) a a’ A2024 高輝度（白）で表示 低輝度（黒）で表示 白 A6061 黒 A2024 Longitudinal section Loading Direction A B C a A’ A b Loading a’ A’ B’ B Surface B’ C C’ d=0m d=11m d=23m d=34m d=46m d=57m d=68m d=80m d=91m Direction 0.5mm 1mm Fig.3 Change in the slice image at area b with depth. C’ 組織の偏在，欠陥 Defects 攪拌組織の可視化 Transverse section Fig.2 Cross-sectional structure visualized by SRCL. 攪拌組織の様々な情報 き裂の観察 攪拌組織の可視化 Drilled hole e d 1mm Fig.8 3D image of fatigue crack. D Retreating side (A6061) Advancing side (A2024) D’ E 1mm E’ d=0.34mm d=0.68mm d=1.02mm d=1.36mm d=1.70mm d=2.04mm (a) Surface 1mm (b)Cross section (D-D’) (c)Cross section (E-E’) Fig.9 Fatigue crack path inside the specimen. Fig.10 Slice images of stir zone inside the specimen. き裂の観察 攪拌組織とき裂の同時可視化 講演内容 （contents） 摩擦攪拌接合 （Friction Stir Welding：FSW） 断層撮影技術 （Computing Tomography：CT） ラミノグラフィ(Laminography) 異材FSW継手の疲労特性 FSW継手の作成 平面曲げ疲労特性 き裂進展試験とラミノグラフィ 表面き裂進展挙動 内部き裂進展挙動 攪拌組織とき裂進展 まとめ ま と め アルミニウム合金製の長尺薄肉構造物の接合方法として，摩擦攪拌接合 （Friction Stir Welding：FSW）の適用が広がっている．FSW継手の疲労特性を評 価するには，攪拌組織中を進展する疲労き裂進展挙動の把握が必要である． SPring-8におけるコンピュータ断層撮影技術の一種である「ラミノグラフィ」を適 用すると，FSW継手の接合欠陥の有無のみならず，疲労き裂進展挙動と攪拌 組織の同時可視化が可能である． A2024とA6061の突き合わせFSW接合材の平面曲げ疲労荷重下において，疲 労き裂がSZ領域を成長する際には，ツールの回転により生じた強塑性流動に よる円弧状模様に従って，細かく屈曲しながら成長する．しかし荷重軸方向へ の投影形状は，綺麗な半楕円状となる．また試験片中に存在する母材の偏在 の影響は顕著でないが，試験片最表面のA2024とA6061の境界は，疲労き裂 発生起点となりうることがわかった． 謝 辞 本研究は，公益財団法人高輝度光科学研究センター大型放射光施設の産 業用ビームラインで実施した課題番号2012A1274，2012B1740の成果の一部 である．関係者に記して謝意を表す． 関連資料 研究概要報告書，国際交流報告書（23） （AF-2007013項）財団法人 天田金属加工機械技術振興財団 天田金属加工機械技術振興財団研究概要報告書･国際交流報告書 No.23, (2010) 39-44． 政木清孝，西銘 一貴, 佐野 雄二，梶原 堅太郎 「放射光ラミノグラフィによる異材FSW 継手材の疲労き裂進展挙動調査」 日本機械学会 材料力学部門カンファレンス（M&M‘13）講演論文集，講演No.OS1505, （2013） 政木清孝，佐野雄二，梶原堅太郎，Omar Hatamleh，佐野智一 「アルミニウム合金FSW継手材の攪拌部におけるき裂成長挙動」 日本材料学会 第32回疲労シンポジウム講演論文集，（2014） 232-235. 政木清孝，佐野雄二，梶原堅太郎，Omar Hatamleh，佐野智一 「欠陥を有するFSW継手材の放射光ラミノグラフィを援用した疲労破壊メカニズム調査」 日本材料学会 第63期学術講演会講演論文集，講演No. 306, （2014） 政木清孝，佐野雄二，梶原堅太郎 「放射光ラミノグラフィによる異材FSW継手材の接合組織および疲労き裂の可視化」 溶接学会全国大会平成27年度秋季大会講演概要集，講演番号241，（2015）184-186. SPring-8/SACLA利用研究成果集 Section B （課題番号2012B1740） 「摩擦攪拌接合継手における疲労き裂進展挙動のラミノグラフィによる非破壊観察」 Vol.3 No.2, (2015) 513-516． 木村聖光，政木清孝 「アルミニウム合金A6061およびA2024のFSW継手材の平面曲げ疲労特性評価」 日本機械学会 材料力学部門カンファレンス（M&M‘15）講演論文集，講演No.GS0212-239（2015）
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